相控阵技术介绍.ppt

相控阵优缺点 为什么使用相控阵 不需要移动工件 实现高速电子扫查通过软件控制波束特征提高检测性能单个电子控制的相控阵探头实现多角度检测多种配置 P E T R TOFD 串列扫查对于复杂几何体的检测更具灵活性 最佳的聚焦 最佳的波束角度 相控阵技术能够电子修改超声探头的特征 探头修改是通过在阵列探头中单个晶片的信号发射 触发 和接收 回波 注入时间延时来实现的 任何用于缺陷检测和测量的UT技术都可用相控阵探头完成 优点 相控阵最显著的特点是可以灵活 便捷而有效地控制声束形状和声压分布 其声束角度 焦柱位置 焦点尺寸及位置在一定范围内连续 动态可调 而且探头内可快速平移声束 因此 与传统超声检测技术相比 相控阵技术的 优势是 用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度 不移动探头或尽量少移动探头可扫100 扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域 是解决可达性差和空间限制问题的有效手段 通常不需要复杂的扫查装置 不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查 因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间 优化控制焦柱长度 焦点尺寸和声束方向 在分辨力 信噪比 缺陷检出率等方面具有一定的优越性 缺点 探头制造复杂 国内目前不能制作探头一般尺寸较大 受现场条件限制对检测人员要求高并不能解决所有问题 也不是进行一次扫查就能发现所有缺陷 相控阵探头 相控阵探头是一种晶片的激发时间可以单独调节 以控制声束轴线和焦点等参数的晶片阵列 根据晶片阵列型式不同 主要有1维线性阵列 2维线性阵列 1维环形阵列 2维环形阵列四种形式 基本阵列设计 线性阵列 1D 基本上是一个长的常规探头 切割成许多可以单独激发的小晶片 阵列探头的设计参数 探头参数 频率 f 阵列中晶片的数量 n 控制或激活方向上总的孔径 A 高度 在机械轴或次轴方向上的孔径 H 间距 两个相邻晶片的中心间距 p 单个晶片的宽度 e 合成探头技术 PA探头基于合成技术 从合成探头获得的信噪比比压电陶瓷材料高10 30dB 压电合成探头使用薄陶瓷棒放在聚合体内而制成 合成探头技术 一个薄金属层放在压电合成体上 在这个金属层内设计的晶片确保压电材料统一激发 探头制造 外壳 探头的结构与常规探头相似 声匹配压电合成体填充材料多达128个共轴电线 相控阵探头设计参数 超声相控阵探头由一系列独立的晶片构成 每个晶片都有各自的接头 延时电路和A D转换器晶片之间彼此声绝缘根据预先计算好的时间延迟触发晶片组中的每一个晶片 比如 相位 1D线性阵列 许多线性探头设计探头可以在次轴上形成聚焦PA和探头技术允许探头加工成各种形状 平的 曲线的 圆锥形的 椭圆形的 普通的探头几何形状 1D线性阵列2D线性阵列 常用的探头几何形状 1D环形阵列2D环形阵列 常用的探头几何形状 菊花探头数据 楔块参数 楔块参数楔块声速 vw 楔块角度 第一个晶片高度 h1 第一个晶片的偏移 x1 楔块常用的材料是一种专利材料Rexolite 探头电子控制 电子脉冲延迟 图有错 斜波束 聚焦波束 线阵探头 线性扫查 线性探头 扇形扫查 连续或环形扫查 波束的形成原理 常规波束形成 常规UT探头角度偏转 发射 根据惠更斯原理产生超声波束 在发射过程中斜楔块引入适当的延迟 产生一个带角度波束 斜波束 常规波束形成 常规UT探头控制波束 接收 根据惠更斯原理楔块内产生波束 在接收过程中斜楔块引入延迟 使 同相位 的波前同时撞击到压电晶片 斜波束 接收一侧 相控阵波束形成 相控阵探头波束偏转 接收 在接收过程中施加合适的电子延迟 只有信号 满足 延迟法则达到同相位 合并后才会产生有效信号 相控阵波形成 相控阵信号处理总图出于经济考虑 脉冲发生器通常采用多路输出 Omniscan16 128是指仪器具有16个脉冲发生器 通过多路输出得到128个超声通道 波束形成 聚焦波束 接收侧 2020 3 15 36 可编辑 聚焦法则产生 聚焦法则计算器 本机工具 TomoView Omniscan 编程探头 EPRI工作手册PASS CIVA 等 相控阵波束的特点 波束聚焦 把超声能量聚集到一个焦点的能力使用一个探头可以把波束聚焦在不同深度对称 比如抛物线 聚焦法则 时间延迟对晶片位置 波束聚焦 非聚焦波束波束近场区和自然扩散角取决于孔径A和波长 近场区扩散角 半扩散角 在 6dB 波束尺寸 在深度Z 波束聚焦 聚焦的波束 聚焦系数 K 定义为 此处F 聚焦距离N 近场区指定焦距的波束偏转平面上的波束尺寸 dst 为 波束聚焦理论 线性探头晶片间隙1mm 频率5MHz 声速1480m s 以上结果基于水尽方法 波束剖面 动态深度聚焦 DDF是以单脉冲检测深工件的理想方式 光速在返回时重新电子聚焦 不能增加灵敏度 只是增加视觉上的分辨率在采集数据时使用 不能做为后处理功能 动态深度聚焦 波束偏转 能够修改阵列探头产生波束的折射角的能力 单个探头可以进行多角度检测 使用不对称的 比如线性 聚焦法则 扇形扫查图解 扇形扫查 扇形扫查有能力扫查整个工件截面 而无须移动探头 用于检测复杂的或检测空间受限的几何工件 把宽波束和 或多焦点探头的优势集中在一个相控阵探头中 波束偏转 偏转能力与阵列中单个晶片的宽度有关通过公式计算出